遠(yuǎn)洋船舶燃油加裝計(jì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張浩，姜尚潔，王儐，郝祝，辛克梁

(1．齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266100；2．青島中烏特種船舶研究設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266100；3. 青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東 青島 266100)

船舶燃油消耗是航運(yùn)公司最主要的成本之一，為了追求企業(yè)的最大經(jīng)濟(jì)效益，船東及租船人越來(lái)越關(guān)注燃油費(fèi)用。但是船舶耗油量由人為測(cè)定，既不能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，也不能確保數(shù)據(jù)的精確性[1]。因此，船舶油量信息不能只局限于船舶自身對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制，還需要向岸基提供燃油信息。

船舶內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行，采用有線網(wǎng)絡(luò)可以很好地完成監(jiān)控[2]。目前國(guó)內(nèi)外大多船舶的智能燃油測(cè)量裝置只是布置在柴油機(jī)上，現(xiàn)場(chǎng)采集柴油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、累計(jì)用油量等，然后通過(guò)信號(hào)采集箱將采集到的數(shù)據(jù)傳到集控室的機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)，但不具備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能[3]，船舶與岸基上的數(shù)據(jù)通信必須通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。一些船舶設(shè)備廠家已設(shè)計(jì)出岸基遠(yuǎn)程船舶油耗監(jiān)控系統(tǒng)，比如斯藍(lán)盾公司的遠(yuǎn)程船舶油耗監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示和記錄發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的各種燃油總消耗、結(jié)存量、以及不同狀態(tài)下的燃油平均消耗等數(shù)據(jù)信息，然而由于數(shù)據(jù)量大，其遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式只能采用衛(wèi)星通信，但是衛(wèi)星通信花費(fèi)較高[4]，在船舶上應(yīng)用并不廣泛。此外，單純的監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)用油量并不能避免偷漏油情況的發(fā)生。為了解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的燃油遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)從燃油加裝源頭開(kāi)始測(cè)量，采集小流量數(shù)據(jù)，傳輸選擇成本低的GPRS或GSM無(wú)線通訊方式[5]。一般燃油加裝都在港口進(jìn)行，能夠保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，可以達(dá)到安全使用要求。若在沒(méi)有GPRS或GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的遠(yuǎn)洋區(qū)域應(yīng)急補(bǔ)給時(shí)采用船舶F站衛(wèi)星通信，本文只介紹采用GPRS或GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式。此方式既保證了數(shù)據(jù)的精確性和實(shí)時(shí)性，又能降低成本。

本文設(shè)計(jì)的燃油加裝計(jì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、RTU(remote terminal unit)控制終端和GPRS DTU(data terminal unit)模塊為核心，輔以橢圓齒輪流量計(jì)、顯示終端等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了燃油加裝計(jì)量的在線遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 燃油加裝計(jì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文以遠(yuǎn)洋船舶燃油整體消耗狀況為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于流量采集、RTU遠(yuǎn)傳終端和GPRS DTU技術(shù)的燃油整體消耗的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)在燃油加裝處計(jì)量監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)地將小流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到岸基平臺(tái)上，既保證了油耗信息的準(zhǔn)確性，又能降低成本。

圖1 燃油加裝計(jì)量系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of refueling measurement system

如圖1所示，系統(tǒng)總共分為三大模塊：

(1)數(shù)據(jù)采集模塊：首先利用橢圓齒輪流量計(jì)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)采集模塊以RS485通信的方式傳給ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊：數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制終端(RTU)，RTU對(duì)流量進(jìn)行積算，對(duì)定量進(jìn)行控制，工業(yè)顯示屏現(xiàn)場(chǎng)顯示數(shù)據(jù)和修改參數(shù)。

(3)數(shù)據(jù)傳輸及顯示模塊：經(jīng)RTU處理后的數(shù)據(jù)再次轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS DTU模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)以2G無(wú)線方式或GSM短信的方式發(fā)送到岸上的船舶管理公司相關(guān)人員的手機(jī)上，及時(shí)上報(bào)船舶燃油加裝狀況，實(shí)現(xiàn)輪船燃油加裝自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)適用于已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的船舶，可直接安裝在加油口處，具體的輪船燃油加裝自動(dòng)測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件總體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖Fig.2 Fundamental diagram of system hardware

首先，流量傳感器將采集到的流量信號(hào)以脈沖的方式輸出，溫度傳感器和壓力傳感器將采集的溫度和壓力信號(hào)以4～20 mA電流形式輸出，經(jīng)采集模塊由ZigBee無(wú)線通信傳輸?shù)絉TU，可避免電纜鋪設(shè)的麻煩；RTU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，可以得到瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、本次總加裝量等船東關(guān)注的關(guān)鍵信息，最后通過(guò)GPRS DTU模塊將最終數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到岸基管理人員手中。

船舶燃油具有粘度較大、溫度較高、流速較慢、回油有脈動(dòng)等特點(diǎn)，本文依照遠(yuǎn)洋船舶的環(huán)境特點(diǎn)，選用鑄鋼橢圓齒輪流量計(jì)，精度等級(jí)為0.5級(jí)，特別適用于燃油的計(jì)量，在船舶環(huán)境條件下工作穩(wěn)定[6]。流量計(jì)輸出電脈沖信號(hào)，采用RS485串口傳輸，可與計(jì)算機(jī)和其他智能儀表聯(lián)機(jī)工作。流量計(jì)在安裝之前應(yīng)配套過(guò)濾器，且過(guò)濾器的出口緊接流量計(jì)的入口，兩者指向應(yīng)與液體流量一致。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集主要是利用傳感器采集管路中的信息，并把采集的信息利用ZigBee傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，達(dá)到用戶的要求。GPRS DTU模塊負(fù)責(zé)將最終數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到用戶手中。ZigBee數(shù)據(jù)短距離無(wú)線傳輸、RTU數(shù)據(jù)處理和GPRS DTU模塊的軟件設(shè)計(jì)如下。

3.1 ZigBee模塊

此系統(tǒng)利用F8913D ZigBee模塊傳輸傳感器數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)[8]。作為一種無(wú)線連接，ZigBee克服了Bluetooth傳輸距離的限制和抗干擾能力差的問(wèn)題，并且與Wi-Fi相比，功耗更低。ZigBee可以工作在2.14 G全球通用的頻段上，首先通過(guò)RS485串口方式采集傳感器數(shù)據(jù)，將其看做終端。然后，另一個(gè)ZigeBee作為協(xié)調(diào)器與單片機(jī)或電腦通信，接收終端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。ZigBee之間以串口透?jìng)鞣绞絺鬏敚?dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻發(fā)送，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)分組都必須等待接收方的確認(rèn)消息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)，若沒(méi)有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了沖突，將重傳一次。采用這種方法，可以提高系統(tǒng)信息傳送的可靠性。在本系統(tǒng)中ZigBee收發(fā)數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與工控箱的近距離無(wú)線傳輸。

3.2 RTU數(shù)據(jù)處理與通信

RTU主要用于室外惡劣環(huán)境中，比如在一些無(wú)人值守的站點(diǎn)，本文采用的RTU為BH系列。RTU遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)視和測(cè)量安裝在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制[9]。流量計(jì)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485通信的方式，經(jīng)由ZigeBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程控制終端(RTU)，RTU首先將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)還將從中央計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的功能控制，并給出預(yù)警信息[10]。

具體的方法為：當(dāng)RTU接收到RS485信號(hào)后，完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，調(diào)用子程序?qū)α髁繑?shù)據(jù)進(jìn)行濾波；當(dāng)管路堵塞壓力超出閾值、溫度過(guò)高超出閾值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警；發(fā)送中斷服務(wù)，利用串口將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS DTU模塊；當(dāng)GPRS DTU檢測(cè)到有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，監(jiān)控指示燈亮，同時(shí)觸發(fā)上線，與RTU建立連接；當(dāng)GPRS有信號(hào)時(shí)則通過(guò)接收中斷服務(wù)，把信號(hào)指令回傳到RTU，RTU將數(shù)據(jù)傳輸給GPRS DTU模塊，并完成數(shù)據(jù)上報(bào)；若GPRS沒(méi)有信號(hào)，RTU保存數(shù)據(jù)到本地，直到接收到信號(hào)回傳指令。另外，當(dāng)DTU設(shè)備連接上數(shù)據(jù)中心，若在一定的時(shí)間里沒(méi)有來(lái)自串口的數(shù)據(jù)，DTU會(huì)自動(dòng)下線，直到有來(lái)自串口端的數(shù)據(jù)后再觸發(fā)上線。其中，RTU處理流量數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示。

圖3 RTU數(shù)據(jù)處理子程序流程圖Fig.3 Flow chart of RTU data processing subprogram

3.3 GPRS DTU遠(yuǎn)傳模塊

本文采用的GPRS DTU無(wú)線數(shù)傳模塊為DATA-6123，能夠在無(wú)人值守的情況下長(zhǎng)期保持?jǐn)?shù)據(jù)可靠傳輸，內(nèi)部集成了PPP和TCP/IP協(xié)議棧，可以很容易地實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的遠(yuǎn)程通信功能[11]。

該模塊與RTU之間通過(guò)RS485串行口通信，通信速率最快可以達(dá)到115 200 bit/s。模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集，并將配置好的參數(shù)保存到內(nèi)部的永久存儲(chǔ)器內(nèi)[12]。RTU與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號(hào)，如DTR、DCD等,DCD信號(hào)可以檢測(cè)GPRS模塊是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是AT命令傳送狀態(tài),DTR信號(hào)用來(lái)通知GPRS模塊傳送工作已經(jīng)結(jié)束。

軟件上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信采用分層的結(jié)構(gòu)，從底到上分別為串口驅(qū)動(dòng)層、GPRS模塊驅(qū)動(dòng)層、PPP協(xié)議層、IP協(xié)議層、UDP協(xié)議層和應(yīng)用層。上層函數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)用到底層函數(shù)，而底層函數(shù)的任務(wù)就是為上層函數(shù)提供服務(wù)[13]。圖4描述了RTU與GPRS之間通信的流程。

GPRS DTU與數(shù)據(jù)中心之間的通信過(guò)程可以描述為：GPRS DTU上電后，首先讀取永久儲(chǔ)存器中保存的工作參數(shù)；然后登陸GSM網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行GPRS PPP撥號(hào)；撥號(hào)成功后，GPRS DTU將獲得一個(gè)由移動(dòng)隨機(jī)分配的內(nèi)部IP地址，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)與外部Internet公網(wǎng)的通信[14]。

圖4 RTU向GPRS DTU傳送數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 Flow chart of data transmission from RTU to GPRSS DTU

4 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，本文以行駛在無(wú)限航區(qū)9 500噸多用途貨船為例，比較每次燃油艙燃油增加量和監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)傳回來(lái)的燃油加裝總量。此貨船燃油艙容量為 501.86 m3，燃油艙燃油總量為艙容量的90%，以防止溢油。

由GPRS DTU模塊遠(yuǎn)傳回來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)組態(tài)王顯示到屏幕上，圖5給出了某次燃油加裝完成后的燃油數(shù)據(jù)界面。為了節(jié)約成本，瞬時(shí)流量、溫度和壓力值每半小時(shí)更新一次。圖6為燃油艙注油量與遠(yuǎn)傳回來(lái)的燃油加裝總量四次比較曲線，從圖中可以看出，每次比較的燃油艙注油量和燃油加裝總量遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)基本一致。

圖5 燃油數(shù)據(jù)界面Fig.5 Interface of fuel data

圖6 燃油艙注油量與燃油加裝總量遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)比較曲線Fig.6 Comparison curve of fuel tank increments and refueling remote data

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)洋船舶燃油加裝計(jì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，從燃油加裝源頭開(kāi)始計(jì)量監(jiān)控，確保了燃油數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。利用ZigBee短距離無(wú)線傳輸傳感器數(shù)據(jù)，避免了電纜鋪設(shè)的麻煩；采用RTU遠(yuǎn)傳控制終端對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的控制；GPRS DTU將得到的燃油加裝信息遠(yuǎn)傳到船東手中，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

本系統(tǒng)還存在不足之處，流量計(jì)安裝在無(wú)人值守的站點(diǎn)，輸出的脈沖信號(hào)會(huì)受到船舶上一些復(fù)雜情況的干擾，出現(xiàn)一定的失真。另外，燃油總流量的計(jì)算只是從燃油開(kāi)始加裝到結(jié)束加裝，沒(méi)有計(jì)算每個(gè)艙的加裝量。為了更好地適應(yīng)要求，系統(tǒng)將來(lái)應(yīng)采用更先進(jìn)的抗干擾措施，提高系統(tǒng)的可靠性；與閥門遙控相結(jié)合計(jì)算每個(gè)燃油艙加裝的流量，使比較結(jié)果更加明確。

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